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油箱蓋熱鍛模電解加工工裝設計開題報告 一 選題的目的及意義 基于電解過程中的陽極溶解原理并借助于成型的陰極 將工件按一定形狀和尺寸加工成型的 一種工藝方法 稱為電解加工 采用電解加工實現(xiàn)模具加工具有表面質(zhì)量好 使用壽命長 脫模好 成本低的 優(yōu)點 通過 本課題的設計 達到 1 培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎(chǔ)課 技術(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)課的知識 分析 解決工程技術(shù)問題的能力 2 鞏固加深擴大基本理論和技能 3 受高級工程技術(shù)人員能力 的訓練 調(diào)研 查閱文獻 制定方案 設計 撰寫 4 創(chuàng)新能力和團隊精神 二 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在經(jīng)歷大約20年的低潮后 從20世紀90年代后期起 電解加工又重新煥發(fā)了生機 其 研究機構(gòu)及人員逐漸壯大 應用領(lǐng)域 尤其在航天 航空 軍工領(lǐng)域 有所擴展 研究成果及 論著數(shù)量激增 工藝技術(shù)水平及設備性能均達到了一個新的高度 1工藝技術(shù)研究 目前 電解加工工藝技術(shù)研究涉及的方向較多 但主要集中在微秒級脈沖電流加工 微精 加工 數(shù)控展成加工 陰極設計及磁場對電解加工的影響等五大領(lǐng)域 下面分別加以詳述 1 1微秒級脈沖電流加工 自20世紀70年代初起 前蘇聯(lián) 美國 日本 法國 波蘭 瑞士 西德等相繼開始了 對脈沖電流電解加工的研究 在國內(nèi) 多家單位相繼開展了毫秒級脈沖電 流電解加工的研究并成功用于工業(yè)生產(chǎn) 隨著近代功率電子技術(shù)的發(fā)展 新型快速功率電 子開關(guān)元件如MOSFET IGBT等出現(xiàn) 使得有可能實現(xiàn)微秒級脈沖電流電解加工 20世紀 90年代以來 微秒級脈沖電流電解加工基礎(chǔ)工藝研究取得突破性進展 研究表明 此項新 技術(shù)可以提高集中蝕除能力 并可實現(xiàn)0 05mm以下的微小間隙加工 從而可以較大幅度地 提高加工精度和表面質(zhì)量 型腔最高重復精度可達0 05mm 1 2 3 最低表面粗糙度可達 Ra0 40 1 有望將電解加工提高到精密 加工的水平 而且可促進加工過程穩(wěn)定并簡化工藝 有利于電解加工的擴大應用 國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)利用微秒級脈沖電流開展了模具型腔及葉片型面加工 型腔拋光 電 解刻字 電解磨等工藝可行性試驗以及氣門模具生產(chǎn)加工試驗 1 3 研究成果進一步從工 藝角度證實了上述結(jié)論 1 2微精加工 從原理上而言 電化學加工技術(shù)可分為兩類 一類是基于陽極溶解原理的減材技術(shù) 如電 解加工 電解拋光等 另一類是基于陰極沉積原理的增材技術(shù) 如電鍍 電鑄 刷鍍等 這兩類技術(shù)有一個共同點 即材料的去除或增加過程都是以離子的形式進行的 由于金屬 離子的尺寸非常微小 10 1nm級 因此 相對于其它 微團 去除材料方式 如微細電火花 微細機械磨削 這種以 離子 方式去除材料的微去除方式使得電化學加工技術(shù)在微細制 造領(lǐng)域 以至于納米制造領(lǐng)域存在著極大的研究探索空間 從理論上講 只要精細地控制 電流密度和電化學發(fā)生區(qū)域 就能實現(xiàn)電化學微細溶解或電化學微細沉積 微細電鑄技術(shù) 是電化學微細沉積的典型實例 它已經(jīng)在微細制造領(lǐng)域獲得重要應用 微細電鑄是LIGA技 術(shù)一個重要的 不可替代的組成部分 已經(jīng)涉足納米尺寸的微細制造中 激光防偽商標模 版和表面粗糙度樣塊是電鑄的典型應用 5 6 但電化學溶解 成型 加工的雜散腐蝕及間隙中 電場 流場的多變性嚴重制約了其加工精度 其加工的微細程度目前還不能與電化學沉積 的微細電鑄相比 目前電化學微精成型加工還處于研究和試驗階段 其應用還局限于一些 特殊的場合 如電子工業(yè)中微小零件的電化學蝕刻加工 美國IBM 公司 微米級淺槽加工 荷蘭飛利浦公司 微型軸電解拋光 日本東京大學 已取得了很好的加工效果 精度已可達 微米級 5 微細直寫加工 微細群縫加工及微孔電液束加工 以及電解與超聲 電火花 機械等方式結(jié)合形成的復合微精工藝已顯示出良好的應用景 9 12 數(shù)控展成加工 傳統(tǒng)的拷貝式電解加工的陰極設計制造困難 加工精度難以保證 尤其對整體葉輪上的扭 曲葉片之類通道狹窄的零件表面 由于受工具陰極剛性及加工送進方式的限制 拷貝式電 解加工更難以完成其加工任務 20世紀80年代初 以簡單形狀電極加工復雜型面的柔性電 解加工 數(shù)控展成電解加工的思想開始形成 它以控制軟件的編制代替復雜的成形陰極 的設計 制造 以陰極相對工件的展成運動來加工出復雜型面 這種加工方法工具陰極形 狀簡單 設計制造方便 應用范圍廣 具有很大的加工柔性 適用于小批量 多品種 甚 至單件試制的生產(chǎn)中 80年代中期 前蘇聯(lián)烏法航空學院特種加工工藝及設備研究所以 過程控制為突破口 設計了一種柔性電解加工單元 應用特殊的電流脈沖波形和高選擇性 的電解液 加工精度達0 02mm 表面粗糙度達Ra0 2 0 6 m 波蘭華沙工業(yè)大學的Kozak 教授于1986年率先提出了電解銑削的思想 以棒狀旋轉(zhuǎn)陰極作類似于圓柱狀側(cè)銑刀的成形 運動來形成加工表面 成功地應用于直升機旋翼座架型面的加工 加工中采用NaNO3電解 液 精度可達 0 01 0 02mm 表面粗糙度達Ra0 16 0 63 m 波蘭Cracow 金屬切削學院 的A Ruszaj和 J Cekaj教授利用形似球頭銑刀的工具陰極 進行了型面光整加工的試驗研究 取得了形狀誤差小于0 01mm的加工效果 從而證明了該工藝在模具的光整加工方面具有很好的應用價值 美國 英國 俄羅斯都 高度重視數(shù)控電解加工技術(shù)的研究并已得到應用 在新型航空發(fā)動機及航天火箭發(fā)動機的 研制中發(fā)揮了重要作用 美國GE公司的五軸數(shù)控電解加工 美國 俄羅斯仿形電解加工帶 冠整體葉輪代表了數(shù)控電解加工整體葉輪的國際先進水平 南京航空航天大學從20世紀80年代中期開始進行數(shù)控展成電解加工工藝技術(shù)的研究 已在 電解加工設備研制 加工機理研究 控制軟件編制及工藝試驗等方面均取得了重要進展 7 8 9 具體研究內(nèi)容包括以下幾方面 1 設備研制 研制了五軸數(shù)控電解加工機床及配套的多軸聯(lián)動數(shù) 控系統(tǒng) 該機床具有三個直線運動坐標軸及二個旋轉(zhuǎn)運動坐標軸 各軸均采用步進電機驅(qū) 動 多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)為二級數(shù)控系統(tǒng) 上位機為一臺通用計算機 用于數(shù)據(jù)處理及生成 數(shù)控加工程序 下位機為組合在一起的五臺經(jīng)濟型二軸數(shù)控單元及其驅(qū)動單元 用于驅(qū)動 機床各軸運動 2 成形規(guī)律研究 研究了棒狀外噴式陰極 三角形截面內(nèi)噴式陰極 矩形 截面內(nèi)噴式陰極三種狀況下展成電解加工間隙隨一些主要工藝參數(shù)變化的規(guī)律 3 陰極設 計 針對整體葉輪結(jié)構(gòu) 設計制造了不同結(jié)構(gòu)的開槽陰極 型面精加工陰極 并通過工藝 試驗對其結(jié)構(gòu)進行不斷改進 現(xiàn)已設計出了新穎結(jié)構(gòu)的組合式開槽陰極及矩形截面整體式 型面精加工陰極 很好地解決了加工過程中易產(chǎn)生的陰極短路燒傷問題 4 加工軟件開發(fā) 針對整體葉輪的開槽加工及型面精加工 開發(fā)了相應的數(shù)控展成電解加 工軟件 具有葉片型面的數(shù)據(jù)處理 數(shù)控加工的展成運動軌跡計算及整體葉輪的三維型面 幾何造型等功能 5 加工工藝試驗 包括直紋面 非直紋面整體葉 渦 輪及帶冠整體葉輪的展成電解加工 葉片型面電解拋光與五軸聯(lián)動電解磨削等 試驗表明 工藝過程穩(wěn)定可靠可以獲得較高的 加工精度和較低的表面粗糙度 陰極設計 目前的生產(chǎn)實際中 多采用迭代試驗修正法來制作陰極 這不僅浪費人力物力 而且要求 操作者具備豐富的實踐經(jīng)驗和很高的技術(shù)水平 同時也大大延誤了生產(chǎn)周期 增加了制造 成本 特別是對于形狀復雜和精度要求較高的零件 陰極設計問題已成為影響電解加工應 用的一個重要原因 南京航空航天大學研究設計了陰極設計CAD CAE CAM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框 架以及開發(fā)策略 該系統(tǒng)基于專家系統(tǒng) 結(jié)合專業(yè)技術(shù)人員和領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗來優(yōu)選工藝 參數(shù) 并且采用基于自由邊界的數(shù)值算法 保證算法的收斂性 10 南京航空航天大學還提 出了一種基于正問題數(shù)值求解模擬 試驗修整 進行陰極設計的方法 該方法將生產(chǎn)實際 中制造陰極的過程再現(xiàn)于計算機上 采用有限元求解拉普拉斯方程得到加工間隙中的電位 分布 通過不斷地將獲得的等位線與理想工件邊界進行比較 將得到的差值映射到陰極端 用來指導陰極的修整 直到工件陽極端的差值小于所允許的值 該 設計方法具有易于處理復雜邊界 收斂性好 精度高的特點 11 合肥工業(yè)大學也提出了應用陰極設計數(shù)據(jù)表來進行陰極設計的方法 通過合理設計工藝試 驗 獲取了特征部位的加工間隙偏差值 據(jù)此計算出各特征部位對應陰 極處的附加修正量 在此基礎(chǔ)上 建立五種陰極設計數(shù)據(jù)表 為陰極設計提供了豐富的修 正數(shù)據(jù) 在此基礎(chǔ)上 可望建立陰極設計數(shù)據(jù)庫 12 磁場提高電解加工精度的研究這項技術(shù)早期研究較多的是磁場對電解磨削 電解拋光的影 響 近年來 國內(nèi)開展了電解成型加工疊加磁場的研究 西北工業(yè)大學的研究發(fā)現(xiàn)當加工 對象是鈦合金或者是在NaCl電解液中加工45鋼時 磁場可以顯著減少雜散腐蝕 提高加工 精度 而在NaNO3 電解液中加工45鋼則效果甚微 13 西安工業(yè)學院進行了磁場影響電場 的仿真試驗及在電解加工裝置上疊加磁場的加工工藝試驗 試驗表明 電解加工過程中疊 加磁場會改變原有電場分布 進而改變間隙流場的分布 從而有利于解決以往電解加工過 程中的雜散腐蝕現(xiàn)象 提高電解加工的質(zhì)量 只有在疊加磁場方向垂直于電場方向且N 極指 向電場疊加磁場時 對電場均布有較明顯的作用 14 此外 采取切割流線的方向疊加磁 場 洛侖茲力的作用有利于成股的束流展開 磁場可以減小電解液的粘度 改善其流動性 能 有利于及時排走電解產(chǎn)物和熱量 改善加工條件 提高加工穩(wěn)定性 15 除了上述五大研究方向之外 帶冠整體葉輪加工 周期循環(huán)電解加工 數(shù)控銑床電解加工 脈沖電解加工間隙測控方法 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡的電解加工精度預測模型 電解加工中管理 系統(tǒng)的開發(fā)等工藝技術(shù)的研究均有所創(chuàng)新或突破 三 本課題的研究手段和預期結(jié)果 1 研究內(nèi)容 1 查閱文獻資 料 詳細研究零件圖 了解零件的結(jié)構(gòu) 2 根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)選取毛坯的種類和制造方法毛坯余量的選擇 3 制定工藝規(guī) 程和可行性分析 4 選擇粗精基準 計算和選擇金屬切削機床的技術(shù)參數(shù) 5 根據(jù)電解加工工裝的結(jié)構(gòu)設計工序過程中的專用夾具 2 本課題可能遇到的問題及其研究方法 1 在剛開始的時候工序的劃分以及定位基準會比較難選擇 所以就在過程中腰認真分析零 件圖 了解電解加工工裝的結(jié)構(gòu)特點及相關(guān)的技術(shù)要求而加工工序要根據(jù)生產(chǎn)類型 零件的 結(jié)構(gòu)來認真分析 2 在夾具設計的時候也可能遇到問題 比如工件的定位是否正確 定位精度是否滿足要求 等等 所以要調(diào)查現(xiàn)階段國內(nèi)外比較先進的電解加工工裝結(jié)構(gòu) 從整體上把握設計的方向 了解電解加工工裝的加工工藝規(guī)程及夾具的設計原理 3 通過大量的資料 研究零件的結(jié)構(gòu) 選擇合適的加工方法 及選擇合理的基準和工序安排 4 熟悉夾具的結(jié)構(gòu)選擇合理的機床及裝夾設備 確定加工余量和工序 進行精細的準確的 尺寸計算 和時間的估算 3 課題預期結(jié)果 1 了解了電解加工工裝的作用 完成對零件的結(jié)構(gòu)分析 并制作出合理的夾具及裝夾方案 2 在保證經(jīng)濟和尺寸精度的要求下制定出合理的加工方法及加工工序 3 在老師的要求下及自己的計劃內(nèi)完成各項任務 4 完成課題所需的工作條件 在前期得做好各項準備 要查閱大量的文獻了解電解加工工裝的結(jié)構(gòu) 并在 CAD PRO E 上畫出這個零件 認真去了解他的結(jié) 構(gòu) 這當中就需要一些工具書比如機械加 工工藝手冊 夾具設計圖冊 刀具設計手冊以及有關(guān)教材及參考資料 最后如果有需要 還可 以選擇去工廠調(diào)研 以上條件具備完成本課題所需的工作條件 四 研究進度 第 1 第 2 周 完成收集資料 開題報告 文獻綜述及外文翻譯等 第 3 第 5 周 根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和尺寸要求 完成工藝規(guī)程設計 第 6 第 9 周 工藝裝備設計 第 10 第 12 周 編寫設計說明書 第 13 周 畢業(yè)設計答辯 五 主要參考文獻資料 1 于勇 我國機械制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向 J 山西焦煤科技 2010 S1 75 76 2 應雷 淺 談我國機械制造業(yè)的困境和發(fā)展戰(zhàn)略對策 J 科技資訊 2010 27 112 3 侯志楠 淺析機械制造技術(shù)的發(fā)展歷程 現(xiàn)狀及趨勢 J 2010 20 4 濮良貴 紀名剛 機械設計 M 高等教育出版社 2006 5 黎震 朱江峰 先進制造技術(shù) M 北京理工大學出版 2009 6 鄭修本 機械制造工藝學 M 北京 機械工業(yè)出版社 2007 7 徐鴻本 機床夾具設計手冊 M 遼寧 遼寧科學技術(shù)出版社 2004 8 聞邦椿 機械設計手冊 第 5 版 第 1 卷 機械工業(yè)出版社 2010 9 張捷 機械制造技 術(shù)基礎(chǔ) M 西南交通大學出版社 2006 10 盧秉桓 機械制造基礎(chǔ) M 北京 機械工業(yè)出版社 2008 11 王先逵 機械制造工藝學 M 北京 機械工業(yè)出版社 2004 12 Handbook of Machine Tools Manfred weck J 2005 13 Boyes W E Jigs and Fixture America SME J 2006